中科院韩方明等合作团队Nano Energy : 在致密储能的超级电容器研究方面取得进展

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近期，中科院合肥研究院固体所纳米材料与器件技术研究部韩方明研究员与美国特拉华大学魏秉庆教授合作，在致密储能的超级电容器研究方面取得进展。通过合理的电极和器件结构设计，制备了一种由交替堆叠的高导电Ti₃C₂T_x薄膜作为自支撑电极、凝胶电解液作为离子载体及隔膜的超级电容器，解决了增加电极质量负载时通常出现的电阻增大、离子扩散受阻以及性能退化等问题，提升了超级电容器的体积能量密度。相关研究成果以“Alternately Stacked Thin Film Electrodes for High-Performance Compact Energy Storage”为题发表在Nano Energy 上。 

　　图1. 交替堆叠电极构型的超级电容器的组装及结构示意图。 

随着电子器件及产品朝着小型化发展的趋势，开发高体积能量密度、结构合理的电极材料和致密电化学储能器件具有非常重要的意义。在前期发现高致密性二维薄膜材料能有效提升超级电容器体积能量密度的基础上，采用真空抽滤的高导电Ti₃C₂T_x薄膜为自支撑电极，通过交替堆叠成功制备了高致密的堆叠构型的超级电容器。这种结构设计从器件尺度上解决了电化学电能存储器件中，由于电极活性材料负载增加而导致的离子输运与扩散路径变长、电荷转移动力学差以及离子可触及面积比例减小等问题，提升了超级电容器的体积能量密度。

图2. 传统两电极构型与交替堆叠电极构型的电化学性能对比。 

此外，该电极结构设计还具有以下几方面独特优势：（1）无需集流体与隔膜，以凝胶电解液作为离子载体及隔膜，提升了活性材料在器件中的比例；（2）在不增加单个电极活性材料负载的前提下，增加了整个器件中活性材料的负载量（108.8 mg cm^-2）；（3）增加器件中活性材料负载量的同时控制离子在电极中输运及扩散的距离，在保证功率密度的基础上提高了面积比电容（10.8 F cm^-2）和体积能量密度(10.4 mWh cm^-3)；（4）与单个常规电容器（单个电极负载1.7 mg cm^-2）及其简单叠加（多个常规电容器叠加）相比，该薄膜堆叠构型中电极结构致密且集成紧密，导电性能更好，电化学性能更为优异。本研究将为合理设计和构建致密的高体积能量密度的电化学储能器件提供一种新方法，对致密电化学储能器件的研发具有重要的指导意义。

 图3. 交替堆叠电极构型的超级电容器基于整个器件的电化学性能。 

该研究工作得到了国家自然科学基金委重大项目和面上项目基金的支持。 

论文链接： 

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285520309009

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